人線粒體RNA加工及調(diào)控*

熊清平 劉如娟 王恩多1，

（1）中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/上海生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所，上海 200031；2）上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201210）

1 線粒體DNA（mitochondrial DNA，mt-DNA）的轉(zhuǎn)錄

人線粒體基因組是一個環(huán)狀的雙鏈DNA分子，由重鏈（heavy-strand） 和輕鏈（light-strand） 組成，共含16 569 個堿基對［1-3］。線粒體基因組共編碼37 個基因， 分別為2 個線粒體rRNA（mitochondrial rRNA， mt-rRNA） 基 因、 22 個tRNA（mitochondrial tRNA，mt-tRNA）基因和13個參與氧化磷酸化過程的蛋白質(zhì)基因［4-6］。線粒體DNA 以一種多順反子的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，其轉(zhuǎn)錄起始源于D-loop（displacement loop）區(qū)，包含輕鏈啟動子（light-strand promoter，LSP）、重鏈啟動子1（heavy-strand promoter 1，HSP1）和2（heavystrand promoter 2，HSP2）［7-8］。從LSP 起始轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物含有8個tRNA分子和1個mRNA（mitochondrial mRNA，mt-mRNA）分子；從HSP1起始轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物含有2個rRNA分子和2個tRNA分子；從HSP2 起始轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物含有2 個rRNA 分子、12個mRNA分子和13個tRNA分子。

一系列核編碼的蛋白質(zhì)因子參與線粒體DNA的轉(zhuǎn)錄過程，其核心轉(zhuǎn)錄因子有：線粒體RNA 聚合酶（mitochondrial RNA polymerase，POLRMT）、線粒體轉(zhuǎn)錄起始因子（mitochondrial transcription factor A， TFAM）、線粒體轉(zhuǎn)錄激活因子（mitochondrial transcription factor B2，TFB2M）、線粒體轉(zhuǎn)錄延伸因子（mitochondrial transcription elongation factor，TEFM）和線粒體轉(zhuǎn)錄終止因子（mitochondrial transcription termination factor 1，MTERF1）［9］。在轉(zhuǎn)錄開始時，TFAM 首先結(jié)合在位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游的啟動子處，TFAM的結(jié)合會招募POLRMT 結(jié)合在啟動子上，接著進(jìn)一步招募TFB2M與POLRMT的結(jié)合，組裝成一個完整的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。關(guān)于轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的發(fā)生機(jī)制，目前有兩種說法。一種說法認(rèn)為TFAM先結(jié)合到mt-DNA 上，再分別招募TFB2M 和POLRMT，但目前只有體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種說法，沒有足夠的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持該觀點(diǎn)［10-11］。另一種說法是TFAM先結(jié)合到mt-DNA 上，然后再招募TFB2M 和POLRMT 的復(fù)合體［11-12］。因此，線粒體編碼基因轉(zhuǎn)錄過程中轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組裝機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。接著，TEFM開始加入，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的有序進(jìn)行。關(guān)于轉(zhuǎn)錄的終止，之前的研究表明轉(zhuǎn)錄終止因子MTERF1 會結(jié)合在16S rRNA 的3'端處，從而使從HSP1 起始的轉(zhuǎn)錄終止［13］。而最近的研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄終止因子MTERF1 在由HSP 驅(qū)動的轉(zhuǎn)錄的終止中不起作用，而是負(fù)責(zé)LSP 起始轉(zhuǎn)錄的終止［14］。而HSP 轉(zhuǎn)錄的終止機(jī)制目前尚不清楚，有可能涉及其他蛋白質(zhì)因子，有待進(jìn)一步探究。

2 線粒體RNA的轉(zhuǎn)錄后加工

線粒體DNA 經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后獲得連續(xù)的、長的多順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，在多順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中，大多數(shù)的mt-rRNA 和mt-mRNA 被mt-tRNA 間隔，稱為“tRNA標(biāo)點(diǎn)模型 （tRNA punctuation model）”［15-16］，當(dāng)多順反子的前體轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上的tRNA 被切割下來時，rRNA 和mRNA 才能被釋放出來［17］。

對多順反子上的前體tRNA進(jìn)行切割加工功能的兩種酶為內(nèi)切核糖核酸酶P（endoribonuclease P，RNase P） 復(fù)合體和elaC 核糖核酸酶Z 2 （elaC ribonuclease Z 2，ELAC2，也稱為RNase Z），兩者分別依次作用于前體tRNA 的5'端和3'端［18-20］。人線粒體中的RNase P 不同于細(xì)菌或細(xì)胞核中的RNase P——含有RNA作為催化亞基，人線粒體的RNase P 復(fù)合體是完全由蛋白質(zhì)組成的異源三聚體［18，21］。最新的三級結(jié)構(gòu)解析結(jié)果顯示，RNase P復(fù)合體由TRMT10C （也稱為MRPP1） 單體、SDR5C1（也稱為MRPP2或HSD17B10）四聚體和PRORP （也 稱 為MRPP3）單體組成的［22］。TRMT10C 和SDR5C1 除了作為RNase P 復(fù)合體的一部分，還分別為tRNA 甲基轉(zhuǎn)移酶［23］和類固醇脫氫酶［24］。兩者在行使RNase P 功能時，首先形成一個結(jié)合前體tRNA的亞復(fù)合體，再招募內(nèi)切酶PRORP 通過激活核酸酶結(jié)構(gòu)域發(fā)揮精確切割前體tRNA 的功能［22，25］。同時，體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，TRMT10C 和SDR5C1 亞復(fù)合體除了發(fā)揮RNase P的功能外，還顯著提高了RNase Z 對前體tRNA 3'端的切割效率，以及促進(jìn)了新生tRNA 的“CCA”加尾進(jìn)程［26］。負(fù)責(zé)前體tRNA 3'端加工的RNase Z有長短兩種形式的蛋白質(zhì)，長形式的RNase Z（long form RNase Z，RNase ZL）定位于線粒體和細(xì)胞核中，短形式的RNase Z（short form RNase Z，RNase ZS）定位于細(xì)胞質(zhì)中［27］。在人基因組中，RNase ZL和RNase ZS分別是由ELAC2和ELAC1編碼的［27］。目前為止，大腸桿菌、芽孢桿菌和海棲熱袍菌中的RNase ZS結(jié)構(gòu)得以解析［28-30］。RNase ZS是同源二聚體，其活性中心由Zn2+依賴性金屬β 內(nèi)酰胺酶和作為tRNA 結(jié)合位點(diǎn)的突出柔性臂組成［31］。對于RNase ZL而言，只有釀酒酵母中的RNase ZL的結(jié)構(gòu)得以解析。結(jié)構(gòu)顯示，RNase ZL是由兩個金屬β內(nèi)酰胺酶結(jié)構(gòu)域組成的，通過長接頭連接。N 端結(jié)構(gòu)域包含了結(jié)合tRNA 的柔性臂，C端結(jié)構(gòu)域包含催化殘基，兩端協(xié)同發(fā)揮作用［32］。目前，人源RNase ZL和RNase ZS的結(jié)構(gòu)還未被解析。當(dāng)源于重鏈和輕鏈的多順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上的tRNA 被切 割 后，mt-rRNA 和mt-mRNA被釋放出來。同時，輕鏈上非編碼區(qū)產(chǎn)生的RNA 產(chǎn)物也被釋放出來，這些RNA 為線粒體長非編碼RNA（mitochondrial long noncoding RNA，mt-lncRNA），如 lncND5、 lncND6 和 lncCytb，還有一類mt-lncRNA 嵌合于線粒體的編碼區(qū)中［33-34］，這些mt-lncRNA被報道與細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)以及腫瘤轉(zhuǎn)化和癌癥進(jìn)展相關(guān)［35-38］。

在多順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物加工過程中，除了經(jīng)典的tRNA 切割方式加工以外，還有一種非經(jīng)典的加工方式，針對于非mt-tRNA 間隔的mt-mRNA 的加工（如ATP8-ATP6-CO3、ND5-CYTB 和ND4-ND4L）。據(jù)報道稱，參與這一過程的酶有可能為Fas激活的絲氨酸/蘇氨酸激酶（Fas-activated serine/threonine kinase，F(xiàn)ASTK）家族［39］。FASTK家族共有5個成員，F(xiàn)ASTK1~5，各自在線粒體RNA調(diào)控中具有不同的功能［40］。其中，F(xiàn)ASTK5被報道可能與ATP8-ATP6-CO3 的加工有關(guān)［41］。此外，F(xiàn)ASTK4 可能參與ND5-CYTB 處的加工，F(xiàn)ASTK4 缺失時，ND5-CYTB 的前體RNA 量增加，相應(yīng)的成熟的mt-ND5和mt-CYTB 量減少［42］。對于FASTK 家族調(diào)控mt-RNA加工的機(jī)制目前還不是完全清楚，有待進(jìn)一步闡述。對于線粒體多順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的非經(jīng)典加工方式也有待進(jìn)一步研究，可能還有其他的因子在其中發(fā)揮重要作用。

2.1 線粒體編碼的tRNA的加工

線粒體多順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上的tRNA被切割下來后，這些tRNA 需要添加一系列的化學(xué)修飾和“CCA”加尾才能形成成熟形式的mt-tRNA［43］。在線粒體tRNA 中，共有18 種修飾類型，分布于137個不同的位點(diǎn)，平均每個線粒體tRNA 上含有6 個修 飾 位 點(diǎn)［44］。tRNA反密碼子環(huán)中的第34 位 是“擺動”堿基，該位點(diǎn)的修飾對mRNA的精確識別至關(guān)重要。在線粒體tRNA中，U34可與U、C、A和G 進(jìn)行識別配對，被稱為“四向擺動規(guī)則”（four-way wobble rule）［45］。而U34位上的一些特定修飾可使U34只與嘌呤堿基A和G進(jìn)行配對，不識別嘧啶堿基U 和C。如由MTO1 和GTPBP3 負(fù)責(zé)催化的5-牛磺酸甲基尿苷（5-taurinomethyl uridine，τm5U）修飾［46-47］，以及由MTU1 在τm5U 修飾的基礎(chǔ)上進(jìn)一步催化產(chǎn)生的5-牛磺酸甲基-2-硫代尿苷（5-taurinomethyl-2-thiouridine， τm5S2U） 修飾［48-49］。線粒體tRNA上第34位除了有約束其識別配對能力的修飾外，也存在擴(kuò)展其識別配對能力的修飾。如由NSUN3 和ALKBH1 分步進(jìn)行催化的5-甲?；眨?-formylcytidine，f5C）修飾，使mt-tRNAMet第34位的C不僅可以與G配對，同時也能與A配對［50-53］。線粒體tRNA上除了第34位存在較多修飾外，第9、10位以及第37位也存在較多的修飾。第9 位的1-甲基鳥苷（1-methylguanosine，m1G） 和1-甲基腺苷（1-methyladenosine，m1A）修飾和第10位的N2-甲基鳥苷（N2-methylguanosine，m2G）修飾影響tRNA 的二級結(jié)構(gòu)，同時對維持tRNA三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也很重要［54-55］。第37位的修飾能促進(jìn)密碼子與反密碼子的相互作用，抑制移碼和四聯(lián)密碼子的產(chǎn)生，保證翻譯的精確性和保真性［7，56-57］。如由TRIT1 負(fù)責(zé)催化的N6-異戊烯腺苷（N6-isopentenyladenosine， i6A） 修 飾［58］， 由OSGEPL1 催化的N6- 氨基蘇氨酰腺苷（N6-threonylcarbamoyladenosine， t6A）修飾以及TRMT5 催化的m1G 修飾等［59］。線粒體tRNA 也跟細(xì)胞質(zhì)tRNA一樣，其D環(huán)和TΨC環(huán)上也分別含有二氫尿苷（dihydrouridine，D） 修飾和假尿苷（pseudouridine，Ψ）修飾。其中Ψ55修飾可以調(diào)節(jié)tRNA 分子的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)柔性，促進(jìn)tRNA 分子的穩(wěn)定性［60-62］。

線粒體tRNA 中3'端的“CCA”是沒有被編碼在線粒體基因組上的，需要特定的“CCA”加尾酶TRNT1 加尾［63-64］。TRNT1 對線粒體tRNA 和細(xì)胞質(zhì)tRNA都有加尾作用。同時，TRNT1會對結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的細(xì)胞質(zhì)tRNA進(jìn)行兩次“CCA”加尾，在tRNA 的3'端生成“CCACCA”，這種“CCACCA”序列是一種降解信號，使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的tRNA被降解。因此，“CCA”加尾酶TRNT1 嚴(yán)格控制tRNA的質(zhì)量［65-67］。但在線粒體中是否也存在同樣的質(zhì)量控制尚不清楚。

2.2 線粒體編碼的mRNA的加工

線粒體mRNA 的加工成熟過程不同于細(xì)胞核中mRNA 的加工成熟過程。當(dāng)線粒體mRNA 從前體轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上被釋放出來后，線粒體mRNA 不需要進(jìn)行5'端加帽；其次，線粒體基因組上沒有內(nèi)含子，因此線粒體mRNA 不需要進(jìn)行剪接；此外，大部分線粒體mRNA雖然需要進(jìn)行3'端的多聚腺苷酸化，形成3'端的poly-A 尾，但其通常只有45~55個核苷酸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于細(xì)胞核中mRNA 的poly-A 尾的長度［68］。有研究表明，負(fù)責(zé)多聚腺苷酸化反應(yīng)的酶為富含亮氨酸和五肽結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)（leucine-rich pentatricopeptide rich domain containing protein，LRPPRC），LRPPRC 定位于線粒體基質(zhì)中，與莖環(huán)互作的RNA 結(jié)合蛋白質(zhì)（stem-loop-interacting RNA-binding protein，SLIRP） 相互作用，形成LRPPRC/SLIRP 復(fù)合物［69］。據(jù)報道稱，LRPPRC/SLIRP 復(fù)合物是RNA伴侶，能夠穩(wěn)定RNA 結(jié)構(gòu)，促進(jìn)線粒體mRNA 的穩(wěn)定、翻譯以及多聚腺苷酸化反應(yīng)［70］。同時，SLIRP能夠有效保護(hù)LRPPRC不被降解［71］。LRPPRC的缺失會導(dǎo)致線粒體mRNA的多聚腺苷酸化減少，mRNA 的穩(wěn)定性降低，以及線粒體翻譯異常［72］。

ND6 mRNA 是唯一一個由線粒體輕鏈轉(zhuǎn)錄得到的mRNA，其并不進(jìn)行3'端的多聚腺苷酸化。FASTK能夠結(jié)合ND6 mRNA 的3＇非翻譯區(qū)（3'-UTR），促進(jìn)ND6 mRNA 的穩(wěn)定和保護(hù)其不被降解。當(dāng)在小鼠或培養(yǎng)的細(xì)胞中去除FASTK 時，導(dǎo)致ND6 mRNA 的表達(dá)水平下降以及線粒體復(fù)合物I的活力降低［73-74］。

目前為止，關(guān)于線粒體mRNA 上修飾的報道比較少，尚且只有關(guān)于m1A修飾的報道。TRMT61B負(fù)責(zé)催化mt-CO1、mt-CO2、mt-CO3、mt-CYB 和mt-ND4L 的mRNA 上的m1A 修飾。當(dāng)在細(xì)胞中過表達(dá)TRMT61B基因時，mt-CO2 和mt-CO3 的蛋白質(zhì)表達(dá)水平上升［75］。此外，mt-ND5 mRNA上也存在m1A 修飾，是由TRMT10C 負(fù)責(zé)催化修飾，其m1A 修飾的含量是所有mt-mRNA 上最高的［75-76］。據(jù)報道稱，mt-ND5 mRNA 上的m1A 的修飾水平具有高度的組織特異性，由于m1A修飾破壞了A∶U配對，會導(dǎo)致翻譯異常［76］。

2.3 線粒體編碼的rRNA的加工

線粒體rRNA被釋放出來后，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后修飾才能參與核糖體的組裝［77］。在線粒體12S 和16S rRNA中共含有10個轉(zhuǎn)錄后修飾位點(diǎn)，其中包含9 個甲基化修飾位點(diǎn)和1 個假尿嘧啶修飾位點(diǎn)（表1）。這些修飾能夠促進(jìn)線粒體rRNA 的加工和核糖體的組裝。當(dāng)催化m62A936 和m62A937 的TFB1M 缺失時，會導(dǎo)致核糖體小亞基的穩(wěn)定性下降，12 rRNA的降解速度加快［78］。催化Um1369修飾的MRM2 表達(dá)量下降時，使線粒體核糖體大亞基的數(shù)量減少，這種數(shù)量的減少可能是由于39S的穩(wěn)定性下降導(dǎo)致的［79］。此外，當(dāng)催化16S rRNA和mt-tRNAPhe上Ψ 修飾的RPUSD4 的表達(dá)量下降時，會導(dǎo)致16S rRNA 和核糖體大亞基的數(shù)量減少，從而導(dǎo)致線粒體翻譯受損［80］，但并不影響mt-tRNAPhe的穩(wěn)態(tài)和氨基?；?1］。線粒體rRNA的修飾之間可能也存在交互作用（crosstalk）。當(dāng)催化m4C839 修飾的METTL15 表達(dá)量降低時，由NSUN4 催化的m5C841 修飾水平也下降，并且這種修飾水平的下降可以通過再次表達(dá)METTL15 而得到回補(bǔ)［82-84］。此外，線粒體甲基轉(zhuǎn)移酶METTL17 的缺失，會引起m4C839 和m5C841 的修飾水平都下降［84］，但METTL17的催化底物目前尚不清楚。

此外，這些線粒體rRNA修飾酶除了發(fā)揮催化修飾RNA 的功能，還參與其他過程。例如，TFB1M 能夠參與轉(zhuǎn)錄的激活，但并不依賴其甲基轉(zhuǎn)移酶活力［85］。NSUN4 會與MTERF4形成復(fù)合物，與核糖體大亞基相互作用，促進(jìn)核糖體的組裝［86-87］。但MTERF4 并不參與NSUN4 對核糖體小亞基中12 rRNA 的催化過程［88］。MRM3 還是線粒體小亞基中的成員之一，同時還是一個RNA伴侶［89］。

線粒體rRNA被修飾后，許多蛋白質(zhì)因子會將這些成熟的rRNA與核糖體蛋白質(zhì)組裝起來，形成核糖體亞基［90］。

Table 1 Post-transcriptional modifications of mitochondrial rRNA表1 線粒體rRNA的轉(zhuǎn)錄后修飾

3 影響線粒體RNA加工的因素

線粒體RNA的正確加工對線粒體內(nèi)RNA與蛋白質(zhì)的生成至關(guān)重要，是線粒體發(fā)揮正常生理功能不可或缺的部分。線粒體RNA 的加工異常不僅影響線粒體的正常功能，甚至還會引發(fā)各種各樣的疾病。根據(jù)目前的研究，從以下3個方面來闡述影響線粒體RNA加工的因素。

3.1 線粒體基因組DNA的突變

與核基因組DNA相比，線粒體基因組DNA的突變率更高［95］。線粒體DNA突變的誘因可能是線粒體基因組DNA 容易被活性氧自由基損傷，并且由于缺少組蛋白的保護(hù)而容易發(fā)生突變［96-97］，此外，氧化應(yīng)激也能影響線粒體復(fù)制酶的活性，導(dǎo)致突變率增加［98］。其次，早期研究認(rèn)為線粒體中缺乏重要的核酸修復(fù)機(jī)制也是引起線粒體DNA 突變率高的因素［99］。線粒體DNA突變率高可能是由多方面的共同影響造成的。線粒體基因組DNA 上有部分突變會導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄的長順反子上的前體tRNA不能被RNase P 或RNase Z 正確識別并切割，從而影響線粒體RNA 的正常加工過程，繼而引發(fā)各種疾病。

與耳聾相關(guān)的線粒體7516delA 突變的研究顯示，7516delA 突變會使由輕鏈轉(zhuǎn)錄而來的mt-tRNAser（UCN）前體的5'端缺失一個“U”，同時，使由重鏈轉(zhuǎn)錄而來的mt-tRNAAsp前體的5'端缺失一個“A”。這兩個前體tRNA的5'端核苷酸的缺失使得RNase P 對其5'端的切割效率下降，還使下游其他成熟的tRNA和mRNA水平降低，以及導(dǎo)致線粒體翻譯受損，膜電位降低和活性氧增加等［100］。此外，與高血壓相關(guān)的線粒體4401A→G突變位于編碼mt-tRNAGln和mt-tRNAMet基因的間隔區(qū)，導(dǎo)致RNase P 催化mt-tRNAGln和mt-tRNAMet前體5'端加工效率降低。同時，4401A→G 突變還導(dǎo)致多種mt-tRNA 和ND6 mRNA 水平的降低，以及輕鏈轉(zhuǎn)錄本中較長的未切割前體RNA 的增加［101］。影響RNase P 切割效率的線粒體突變還有12207G→A［102］，3249G→A和4269A→G［103］等。

此外，據(jù)報道稱，線粒體5587A→G突變能夠造成萊伯氏遺傳性視神經(jīng)病變。這種突變使mt-tRNAAla上第73位的“A”突變?yōu)椤癎”，體外實(shí)驗(yàn) 證 明5587A→G突變影響了RNase Z 對mt-tRNAAla前體3'端的加工，使得mt-tRNAAla前體積累，成熟形式mt-tRNAAla減少。同時，抑制了TRNT1 對mt-tRNAAla的“CCA”加尾過程。此外，還影響了線粒體翻譯和氧化磷酸化復(fù)合物的組裝等［104］。影響mt-tRNAAla前體的加工可能是造成萊伯氏遺傳性視神經(jīng)病變的原因。同樣，人線粒體3302A→G 突變可導(dǎo)致肌無力、乳酸性酸中毒和二型糖尿病等。小鼠線粒體2748A→G突變與人線粒體3302A→G突變同源。以小鼠為動物研究模型的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，線粒體2748A→G 突變使mt-tRNALeu（UUR）上第71位的“A”突變?yōu)椤癎”，造成線粒體RNA 加 工異常，mt-tRNALeu（UUR） 和ND1 mRNA 前體積累，成熟的mt-tRNALeu（UUR）和ND1 mRNA 減少。同時，引起代謝缺陷、高血糖和胰島素不敏感等病理性特征［105］。

3.2 線粒體RNA加工相關(guān)酶的突變

RNase P 和RNase Z 分別參與線粒體多順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中mt-tRNA前體5'端和3'端的切割加工過程［106］。 RNase P 是 由TMRT10C、 SDR5C1 和PRORP 組成的異源三聚體［18，21］。RNase P 復(fù)合物和RNase Z中的突變會影響兩者對mt-tRNA前體的切割效率，導(dǎo)致線粒體多順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工異常。

據(jù)報道稱，TRMT10C 編碼基因的突變會導(dǎo)致嬰兒在出生時表現(xiàn)為乳酸性酸中毒、肌張力減退和耳聾等癥狀，影響嬰兒的正常發(fā)育。來自攜帶TRMT10C 錯義突變基因的個體的成纖維細(xì)胞顯示mt-tRNA 前體的穩(wěn)態(tài)水平下降，線粒體RNA 加工受損以及線粒體蛋白質(zhì)翻譯效率降低［107-108］。此外，SDR5C1編碼基因的一種新的突變可以導(dǎo)致頑固性癲癇和全局性發(fā)育遲緩。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這種突變的致病性是由于成熟形式的mt-tRNA 減少，從而引發(fā)一系列線粒體功能障礙所導(dǎo)致的［109］。PRORP基因突變的個體表現(xiàn)為神經(jīng)性聽力損失、發(fā)育遲緩和腦白質(zhì)改變等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，來自基因突變的患者的成纖維細(xì)胞中的PRORP 表達(dá)量下降，線粒體轉(zhuǎn)錄本前體累積以及線粒體編碼的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)水平下降，這些現(xiàn)象都可以通過表達(dá)野生型的PRORP而得到回補(bǔ)［110］。

之前研究表明，ELAC2 基因突變可以導(dǎo)致嬰兒肥厚性心肌病。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ELAC2 基因突變會使mt-tRNA前體積累，線粒體復(fù)合物I的表達(dá)量減少以及線粒體翻譯受損［111］。

除RNase P 與RNase Z 以外，其他與線粒體RNA 加工相關(guān)的酶的突變也會引起線粒體RNA加工紊亂。GRSF1（G-rich sequence factor 1）是一種RNA 結(jié)合蛋白，能結(jié)合新合成的線粒體RNA，并且與RNase P 相互作用［112］。GRSF1基因敲除使線粒體RNA 的穩(wěn)定性發(fā)生改變，導(dǎo)致線粒體編碼的蛋白質(zhì)的表達(dá)量減少和線粒體功能障礙［112-113］。此外，PTCD1 作為一種線粒體基質(zhì)蛋白質(zhì)，與ELAC2相互作用，對線粒體多順反子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物3'端的加工發(fā)揮重要作用［106］。敲除PTCD1后，mt-tRNA 前體增加；過表達(dá)PTCD1時，mt-tRNA前體減少。且當(dāng)PTCD1 的表達(dá)量減少時，幾種線粒體編碼蛋白質(zhì)的水平和復(fù)合物IV 的活性增加［112］。在斑馬魚模型中，線粒體tRNA 修飾酶 MTO1 與 MTPAP （mitochondrial poly （A）polymerase）相互作用，MTO1基因敲除使MTPAP的表達(dá)量降低，導(dǎo)致線粒體mRNA 的多聚腺苷化下降，影響線粒體編碼的相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)水平和線粒體氧化磷酸化水平［114］。

3.3 線粒體RNA修飾的改變

線粒體RNA 上存在眾多的修飾，這些修飾對線粒體RNA 的加工也至關(guān)重要。據(jù)報道稱，ALKBH7 能夠?qū)€粒體新生的線粒體多順反子RNA 中的mt-tRNAIle和mt-tRNALeu（CUN）去甲基化m2

2G26 和m1A58。ALKBH7 的去甲基化作用能夠調(diào)節(jié)線粒體多順反子RNA 的結(jié)構(gòu)動力學(xué)和加工過程。敲低ALKBH7基因，導(dǎo)致線粒體多順反子RNA加工異常，線粒體編碼的tRNA穩(wěn)態(tài)水平和蛋白質(zhì)翻譯水平都降低，線粒體活性也顯著下降。ALKBH7 作為一種線粒體RNA 的去修飾酶，通過改變線粒體RNA 的修飾水平來調(diào)節(jié)線粒體新生RNA的加工和線粒體活性［115］。

與耳聾相關(guān)的線粒體4295A→G突變的研究顯示，4295A→G 突變導(dǎo)致mt-tRNAIle上的t6A37 修飾變成m1G37 修飾。體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，4295A→G突變使RNase P 對mt-tRNAIle前體的5'端的催化效率降低，tRNA 代謝異常，線粒體翻譯受損等，這些影響可能是源于tRNA上37位修飾的改變［116］。

此外，有文獻(xiàn)報道稱，線粒體tRNA 中第9 位的m1A和m1G修飾能夠影響線粒體的tRNA正確折疊，從而影響線粒體多順反子的切割和下游蛋白質(zhì)的翻譯［117-119］。同時，通過分析大量RNA 測序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)線粒體tRNA 中第9 位的甲基化水平與tRNA 的5'端的加工速率存在正相關(guān)性，這表明線粒體多順反子轉(zhuǎn)錄本和轉(zhuǎn)錄后修飾之間存在聯(lián)系，以及第9 位的甲基化水平與多順反子RNA 的切割是耦合的［120］。

除了線粒體tRNA上的修飾影響線粒體RNA加工以外，線粒體rRNA 修飾作為線粒體rRNA 加工的重要環(huán)節(jié)，rRNA 修飾的缺陷也會影響rRNA 的加 工［121］。例 如： 12S rRNA 上 的m26A936 和m26A937 修飾減少，會導(dǎo)致12S rRNA 加快降解［121］；16S rRNA 上的Ψ 修飾減少，會導(dǎo)致16S rRNA的表達(dá)量下降［80］。

4 總結(jié)與展望

與核基因組相比，人線粒體基因組非常小，但其基因組上每個基因的精確轉(zhuǎn)錄和翻譯對細(xì)胞的正常生長至關(guān)重要。線粒體基因組的重鏈和輕鏈被轉(zhuǎn)錄成多順反子RNA，經(jīng)過酶切處理后釋放出3種不同類型的RNA：mt-tRNA、mt-rRNA和mt-mRNA，這些RNA被進(jìn)一步加工成為成熟形式的RNA分子并發(fā)揮作用。在線粒體RNA 加工過程中，某些因素會造成RNA 加工異常，影響線粒體正常生理功能，繼而引發(fā)線粒體相關(guān)疾病（圖1）。此外，線粒體RNA 中除了這3 種主要的RNA 以外，還有其他非編碼RNA 的存在，如lncRNA、miRNA、piRNA 以及circRNA。這些線粒體非編碼RNA 可能是由核基因編碼的，也可能是由線粒體基因編碼的，參與線粒體的基因表達(dá)、氧化還原調(diào)節(jié)和蛋白質(zhì)運(yùn)送等過程。但是目前對線粒體非編碼RNA 的了解還不夠深入，如線粒體非編碼RNA 的鑒定、來源于線粒體基因組的非編碼RNA 的生成過程以及線粒體非編碼RNA 的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制等，都亟待深入地研究。

在過去幾十年，研究者們對線粒體RNA 的加工進(jìn)行了深入的研究并有了一定的了解，但在線粒體RNA 加工過程中仍有些懸而未決的問題亟待解決。線粒體RNA 加工是一個復(fù)雜且廣受調(diào)控的過程，盡管隨著研究的不斷深入，影響線粒體RNA加工的因素不斷被發(fā)現(xiàn)和報道，但是關(guān)于線粒體中RNA 加工的分子機(jī)制以及影響因素還有待未來更深入的研究。

Fig. 1 Overview of human mitochondrial DNA transcription，RNA processing and loss-of-function mutation圖1 人線粒體DNA轉(zhuǎn)錄、RNA加工及功能突變的全局圖